廢棄白酒糟酸水解工藝的優(yōu)化

任海偉，陳曉前，邢超紅，李 雪，陳海秀，寇明耀，李美忠

(蘭州理工大學生命科學與工程學院，甘肅蘭州730050)

中國是一個白酒消費和生產(chǎn)大國，白酒行業(yè)每年產(chǎn)生大量的廢棄酒糟;一方面由于開發(fā)利用不足造成環(huán)境污染，另一方面酒糟中含有豐富的纖維素、淀粉和半纖維素等成分，又造成資源浪費。甘肅金徽酒業(yè)集團生產(chǎn)的白酒以高梁、小麥、大米、玉米、糯米為原料，公司每年產(chǎn)生的廢棄酒糟量約為3萬t，主要作為動物飼料。但由于酒糟中木質(zhì)素和植酸含量較高，導致動物對其生物利用率降低;同時長期食用酒糟也會造成動物食欲不振等不良癥狀，有必要尋求一種新的白酒糟利用途徑。白酒糟中能降解利用的纖維素、淀粉和半纖維素總含量約為80%左右，若能將其中的纖維素、淀粉通過酸水解轉(zhuǎn)化為葡萄糖，半纖維素酸解為木糖等可發(fā)酵性單糖，不僅為熱帶假絲酵母利用木糖發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇提供了可能，也為微生物繁殖代謝提供了豐富營養(yǎng)源。目前，已有諸多學者采用鹽酸或硫酸等無機酸作為催化劑對茶籽殼、稻草、玉米秸稈、玉米芯等農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)資源進行酸水解工藝研究［1－5］，也有學者采用1－丁基－3－甲基咪唑溴鹽(［Bmim］Br)或 1－烯丙基－3－甲基咪唑氯鹽(［Amim］Cl)等離子液體［6－7］和超臨界水［8－9］作為反應介質(zhì)，對稻草秸稈等木質(zhì)纖維原料進行水解。但關(guān)于廢棄白酒糟混合酸水解的工藝研究還未見報道。本文擬利用鹽酸和磷酸組成的混合酸作為催化劑，以木糖濃度和還原糖濃度為評價指標，篩選有利于酒糟酸解的最佳超聲波預處理條件，并優(yōu)化酸水解工藝參數(shù)，為廢棄白酒糟的綜合利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

白酒糟 甘肅金徽酒業(yè)集團提供，自然晾干(水分含量為3.89%)，粉碎后過50目篩備用，蛋白質(zhì)16.42%、淀粉 14.81%、粗脂肪 3.56%、粗纖維53.17%、半纖維素 12.86%(含量以干基計，%);3，5－二硝基水楊酸 上海中泰化學試劑有限公司;地衣酚 上海藍季科技發(fā)展有限公司;D－木糖 天津市光復精細化工研究所;木糖醇 上海時代生物科技有限公司;其余試劑 均為分析純。

HH－4數(shù)顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司;SHD－III型循環(huán)水式多用真空泵 保定高新區(qū)陽光科教儀器廠;TDL－5－A離心機 上海安亭科學儀器廠;GZX－9240MBE數(shù)顯鼓風干燥箱 上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠;Cary 50紫外可見分光光度計 上海精密科學儀器有限公司。

1.2 分析方法

白酒糟中蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素和脂肪的測定分別按 GB5009.5－2010、GB/T5009.9－2008、GB/T5515－2008和GB/T5512－2008進行;半纖維素含量測定采用VAN SOEST法［10］;木糖含量的測定采用地衣酚法［11］;還原糖含量的測定采用 3，5－二硝基水楊酸(DNS)比色法［12］。

1.3 實驗方法

稱取一定質(zhì)量的白酒糟，按照1∶10(g/mL)的固液比加入混合酸中，拌勻、浸泡10h。在一定超聲波功率條件下常溫處理10min，然后置于油浴鍋中進行酸水解?；旌纤岬呐渲品椒槊?000mL蒸餾水中加入 10mL HCl與 10mL H3PO4。酸水解結(jié)束后3000r/min離心10min得上清液即為酒糟酸水解液，分析測定酸水解液中的木糖濃度和還原糖濃度。

1.3.1 預處理條件的篩選 在室溫條件下研究不同功率(200、300、400、500、600W)超聲波對酒糟酸水解效果的影響，篩選最適宜功率，超聲時間為10min。

1.3.2 酸水解工藝條件的優(yōu)化 以木糖濃度和還原糖濃度為評價指標，研究混合酸濃度(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%，v/v)、溫度 (60、80、100、120、140℃)和時間(0.5、1.5、2.0、2.5、3.0h)等因素在不同水平條件下對酒糟酸水解效果的影響。在單因素實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上設計L9(34)的正交實驗優(yōu)化酸水解工藝(見表1)。

表1 正交實驗因素水平表Table 1 Factors and levels of the orthogonal tests

2 結(jié)果與分析

2.1 預處理條件的篩選研究

利用超聲波技術(shù)對酒糟預處理的目的主要是有效解除木質(zhì)素對纖維素的封閉，瓦解木質(zhì)纖維素的緊密結(jié)構(gòu)，提高混合酸的滲透可及性，保證酸水解過程的順利進行。由圖1可知，在200～500W功率范圍，隨著超聲波功率的增加，酸水解液中的木糖濃度和還原糖濃度逐漸增加，增長率分別為19.92%和42.21%。因為超聲波作用于反應體系產(chǎn)生的空化效應、湍動效應及機械效應，破壞了酒糟中纖維素、木質(zhì)素和半纖維素三者之間鍵的連接，增加酒糟結(jié)構(gòu)的“開放”程度，進而破壞纖維素分子中的氫鍵，降低其結(jié)晶度，提高了H+的可及度，促進酒糟水解［13］。如果繼續(xù)增大超聲功率(＞500W)，木糖濃度和還原糖濃度反而下降，原因是酸水解產(chǎn)生的木糖、葡萄糖等單糖在較高功率的超聲波作用和高溫稀酸條件下，發(fā)生多種形式的分解和氧化等復雜反應，生成糠醛、羧甲基糠醛、糖醛酸、已糖酸等產(chǎn)物，造成二者濃度的下降。因此，酒糟預處理條件采用500W超聲功率常溫處理10min。

2.2 單因素實驗

2.2.1 混合酸濃度對酒糟酸水解效果的影響 從圖2中可以看出，隨著混合酸濃度的增加，還原糖和木糖濃度的變化趨勢基本一致，均為先增大后減小，當混合酸濃度為2.0%時，二者濃度達到最高值。因為酸水解主要是靠H+水解和催化的雙重作用來實現(xiàn)，較低的混合酸濃度使H+濃度過低，造成H+與原料接觸的機率和面積減少，水解效率低，表現(xiàn)為還原糖濃度和木糖濃度較低;隨著酸濃度的增加，水解體系中H+濃度升高，H+與原料接觸充分，有利于水解的進行。但酸濃度大于2.0%時，一方面，酒糟木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的孔隙數(shù)量恒定，混合酸滲透速率受限，使得體系中H+濃度相對飽和，對酸水解作用不大;另一方面，混合酸濃度過高會提高己糖向羥甲基糠醛的轉(zhuǎn)化效率，促進體系中糠醛類物質(zhì)濃度的增加［4］，使得木糖和還原糖濃度下降，這對微生物活性有很大的抑制作用，不利于后續(xù)發(fā)酵工藝。因此確定混合酸濃度為2.0%。

圖1 超聲波功率對酒糟酸水解效果的影響Fig.1 Effect of ultrasonic power on acid hydrolysis of distiller’s grains

圖2 混合酸濃度對酒糟酸水解效果的影響Fig.2 Effect of mixed acid concentration on acid hydrolysis of distiller’s grains

2.2.2 時間對酒糟酸水解效果的影響 從圖3中可以看出，隨著酸解時間的延長，酸催化劑向酒糟中的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)滲透并將其水解轉(zhuǎn)化為木糖和葡萄糖等還原糖類物質(zhì)。由于木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的包被作用，水解初始階段H+很難作用于酒糟，致使酸水解速率較低;當水解1h后，木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)受到破壞，纖維素和半纖維素水解速率增加，還原糖濃度和木糖濃度在水解2.0h時達到最大值，增長率分別為51.74%和43.87%。但是，過長的水解時間會導致已產(chǎn)生的單糖轉(zhuǎn)化為糠醛等發(fā)酵抑制類物質(zhì)，甚至出現(xiàn)糠醛類副產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率高于酒糟水解率的情況，表現(xiàn)為2.0h后二者濃度呈下降趨勢。這與江滔等［4］研究結(jié)果一致，過長的水解時間不但不能明顯增加水解效率，反而還會導致大量糠醛類抑制物及其衍生物的產(chǎn)生。因此確定酒糟酸水解時間為2h。

圖3 時間對酒糟酸水解效果的影響Fig.3 Effect of time on acid hydrolysis of distiller’s grains

2.2.3 溫度對酒糟酸水解效果的影響 由圖4中可知，隨著溫度的增加，木糖濃度和還原糖濃度先增大后減小，溫度為120℃時二者濃度達到峰值。因為溫度較低不利于酸液滲透到酒糟的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)，使得水解效率降低;溫度越高，越有利于酸解過程的進行，化學反應越充分。然而，酸解過程又是一個動態(tài)進程，溫度過高會使還原糖和木糖發(fā)生分解產(chǎn)生糠醛類物質(zhì)，或者進一步轉(zhuǎn)化為乙酰丙酸。當溫度高于120℃時，酒糟的酸水解速率低于糠醛類副產(chǎn)物的生成速率，致使還原糖濃度和木糖濃度降低，不利于水解作用。故確定酒糟酸水解溫度為120℃。

圖4 溫度對酒糟酸水解效果的影響Fig.4 Effect of temperature on acid hydrolysis of distiller’s grains

2.3 正交實驗優(yōu)化設計

在單因素實驗結(jié)果基礎(chǔ)上，選取一定區(qū)間內(nèi)對酒糟酸水解效果影響較顯著的混合酸濃度、溫度和時間3個因素作為研究對象，選取木糖濃度和還原糖濃度2個評價指標進行分析，結(jié)果見表2～表4。

從表2可以看出，各因素對木糖濃度的影響大小順序為B＞C＞A，最優(yōu)組合為A3B2C3;各因素對還原糖濃度的影響大小順序為A＞B＞C，最優(yōu)組合為A3B3C3。由表3和表4中方差分析可知，溫度對木糖濃度和還原糖濃度影響均為顯著，混合酸濃度僅對還原糖濃度影響顯著，而時間對二者濃度影響均不顯著。從節(jié)約能耗和減少副產(chǎn)物生成等角度綜合考慮，確定最優(yōu)發(fā)酵條件為 A3B2C3，即混合酸濃度2.5%，溫度120℃，時間2.5h。在該最優(yōu)條件下進行重復驗證實驗3次，得出木糖濃度和還原糖濃度分別為651.62μg/mL和11.85mg/mL。

表2 正交實驗設計及結(jié)果Table 2 Results and design test of the orthogonal tests

表3 木糖濃度的方差分析Table 3 Variance analysis for the concentration of xylose

表4 還原糖濃度的方差分析Table 4 Variance analysis for the concentration of reducing sugar

3 結(jié)論

白酒糟中富含纖維素、半纖維素和淀粉等成分，通過酸水解將這些成分轉(zhuǎn)化為木糖和葡萄糖等可發(fā)酵單糖，則能為熱帶假絲酵母發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇提供良好的反應基質(zhì)。同時，酒糟作為一種木質(zhì)纖維素原料，通過對其進行超聲波預處理，可使其木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)漸趨開放，有利于混合酸的水解。結(jié)果表明，在500W功率條件下，對酒糟進行超聲波預處理(常溫，10min)更有利于其酸水解過程。酒糟的最優(yōu)酸水解條件為:混合酸濃度為2.5%;水解時間為2.5h，溫度為120℃。該條件下，酒糟水解較為充分，木糖濃度和還原糖濃度分別達到651.62μg/mL和11.85mg/mL。

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